歐洲金屬球衛星將檢驗愛因斯坦廣義相對論

2020-11-29 中國網

據美國國家地理網站報導,2月13日,歐洲織女星火箭首次發射成功。其上面搭載了一顆旨在驗證愛因斯坦廣義相對論的低成本探測衛星,儘管其耗資很少,但據稱其探測精度將比此前美國宇航局進行的該項研究高出幾乎100倍。

在2000年年中,在經過超過40年的艱苦研發之後,由美國史丹福大學領銜研製的耗資8億美元的「引力探測器B」衛星探測到了「慣性系拖曳效應」(Frame dragging)。這是一種愛因斯坦的理論中所預言的現象,即由於地球的自轉導致周遭的時空結構隨之發生扭曲的效應。但是由於技術上的問題,美國宇航局的探測計劃只達到了大約20%的精度。

而此次這一由義大利領銜研製的新型衛星僅僅耗資1000萬美元,卻將有望大大改進觀測的精度。伊戈納茲爾·塞佛利尼(Ignazio Ciufolini)來自義大利薩蘭託大學,他是此次探測項目的負責人,他說:「如果我們能達到1%的精度——我很自信我們可以達到,那麼我們將能夠將之前引力探測器B的探測精度提升一個數量級。」

這顆探測衛星名為「雷射相對論衛星」,縮寫為「LARES」,它搭載在織女星火箭上,於法屬蓋亞那當地時間7:00(北京時間當日18:00)發射升空。現在這顆衛星已經開始在軌工作,它將在未來數年內連續發回有關慣性系拖曳效應的測量數據。

阿蘭·康斯坦拉基(Alan Kostelecky)是一名來自美國印第安納大學的理論物理學家,他說:「如果LARES衛星能夠達成其觀測精度,這將可以對相對論進行非常好的驗證。」

幫助驗證相對論的金屬球

LARES基本上就是一個圓球,其主體是一個堅固的金屬球,用鎢金屬製成,重362公斤,直徑僅有35.5釐米。這個圓球的外部鑲嵌了很多反射器,以便當它在太空飛行時地面的雷射追蹤網絡能夠跟蹤其在軌道上的精確位置,精度可達毫米級。

探測器的運行軌道和地球赤道之間存在一個夾角。根據愛因斯坦理論的計算,塞佛利尼的小組認為地球自轉產生的慣性系拖曳效應將會讓衛星的軌道產生輕微進動。這是由於衛星被隨地球自轉扭曲的時空帶動產生的效應。

在一年的時間內,這種效應預計將導致衛星運行軌道傾角出現大約千萬分之一的誤差,也就是說大約經過1000萬年後,由慣性系拖曳效應導致的誤差將可以致使衛星的運行軌道圍繞地球整個翻轉一圈。除了角度之外,在一年內衛星的位置也將出現大約4米的誤差,這一誤差可以由地面雷射測量監視系統精確地測出,其誤差將小於1%。

不能停止對廣義相對論的檢驗

LARES衛星的大質量特點讓它對地球的大氣拖拽效應不敏感,由於它運行在距離地面1450公裡的高軌道上,這裡的大氣拖拽效應本身也非常微弱。並且這一高密度球體衛星受到太陽光壓的影響也非常微小,幾乎可以忽略不計。

其它因素,如地球本身並非一個理想球體,實際上導致的衛星進動幅度更大,大約3年左右就可以讓衛星運行軌道偏移一周。但是研究人員將會使用各種數據分析手段,並參考之前各項任務的數據,從而從這些背景數據中篩選出由於慣性系拖曳效應導致的誤差值。

愛因斯坦的廣義相對論或許仍將通過本輪測試。但科學家們相信廣義相對論最終必定會失效,但是是在非常微觀的尺度上,在這一尺度上量子理論開始發揮作用。當然,在科學上很多事情仍然是無法做出非常肯定的斷言的。

塞佛利尼說:「在過去的100年裡,愛因斯坦的廣義相對論已經經受住了無數的實驗檢驗,但是這一切並不是就意味著我們應當停止這樣的檢驗。」(晨風)

相關焦點

  • 檢驗廣義相對論,還要經歷「三重門」?
    我們知道,一個自然科學的理論哪怕已通過了99次檢驗,但若最後一次栽了,也會被科學家無情地拋棄。作為關於時空的理論,廣義相對論自然也沒有「免檢合格」的權利。雖然在過去的一個世紀,它在各種挑戰面前屹立不倒,但對它的檢驗還會持續下去。尤其考慮到過去的檢驗都是在弱引力場中開展的,科學家期望未來能在中子星、黑洞等天體附近的強引力場中一試它的對錯。
  • 愛因斯坦廣義相對論預言成真,原因是在這裡
    結合美國宇航局哈勃太空望遠鏡和歐洲南方天文臺甚大望遠鏡的數據,研究人員發現,此星系中引力的行為與阿爾伯特﹒愛因斯坦廣義相對論的預言相符,在星系的尺度上證實了這一理論的正確性。1915年,阿爾伯特﹒愛因斯坦提出廣義相對論,對引力如何起作用進行了解釋。自那以來,廣義相對論通過了一系列在太陽系內的高精度檢驗,但還從沒有在巨大的天文學尺度上對其進行過精確地檢驗。
  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼理論?
    簡單來說,愛因斯坦在一百多年前創立的廣義相對論是一種引力理論,描述宇宙中天體的引力作用。關於引力理論,我們最早接觸到的是牛頓在17世紀提出的萬有引力定律。那麼,愛因斯坦的引力理論與牛頓的有什麼區別呢?直到20世紀初,愛因斯坦提出了廣義相對論,水星近日點進動問題才得到完美的解釋。根據廣義相對論,空間不像牛頓所描述的那樣是絕對平直的,而是會在質量和能量的作用下發生彎曲。在彎曲的空間中,天體與光都會沿著測地線運動,由此表現出引力效應。
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    我們將在本文中介紹愛因斯坦如何通過物理思想的多次突破,創建起相對論特別是廣義相對論的大廈,並指出愛因斯坦是相對論的唯一創建者。1.1 狹義相對論的創建我們首先來回顧一下狹義相對論的創建。1905 年,年僅27 歲的愛因斯坦發表了《論運動物體的電動力學》一文,構建起狹義相對論的大廈。
  • 給最美的廣義相對論找找「茬」
    他們一直在對愛因斯坦的廣義相對論進行檢驗。愛因斯坦在整整100年前第一次提出了廣義相對論,它解釋了引力是什麼。科學家們一直沒有發現它存在任何不足之處,但卻仍在調查根據它做出的預測,精確到第n位小數。在該理論100周年之際,科學家會做一些特別嚴格的驗證。也許會有人發現這座非凡數學大廈的第一個微小缺陷。
  • 請問,愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?
    請問,愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?這些驗證實驗具體如何做的?狹義和廣義相對論都由愛因斯坦分別在1905年和1915年提出,是世界上最先進的科學理論,為基礎物理奠下了堅實的基礎。狹義相對論有6大驗證實驗:1.相對性原理檢驗;2.光速不變檢驗;3.時間膨脹檢驗;4.緩慢運動媒質的電磁現象;5.相對論力學;6.光子靜止質量上限檢驗。相對性原理檢驗在物理實驗上,有電動力學、光學、電磁感應現象等,都有力的證明了它的正確性。
  • 1919年日食是檢驗廣義相對論的第一個實驗,確認愛因斯坦巨星地位
    劍橋大學天文研究所的部門圖書管理員馬克·赫恩(Mark Hurn)說:「恆星精確地移動了廣義相對論預測的數量。」 「這是廣義相對論在正確軌道上的第一個實驗證據。」盯著太陽廣義相對論拋棄了牛頓關於重力是將物體拉在一起的力量的想法。它把重力重新想像成時間和空間的扭曲,即宇宙結構的扭曲。根據相對論數學,通過這種畸變傳播的光將改變其路徑,從而適應宇宙的經紗和緯紗。物體越重,變形越大,其重力會使光彎曲的越多。
  • 愛因斯坦最偉大的勝利:一個廣義相對論的世紀!
    我們今天觀察到的星系聚類量是重力作用於宇宙時間的標誌,並允許測試廣義相對論是否適用於這些尺度。1915年11月,阿爾伯特愛因斯坦發表了四篇論文- 每篇論文相隔一周,然後是1916年3月的一份總結論文 - 他在論文中提出了他的廣義相對論,並吹響了人類的集體思想。愛因斯坦早期的狹義相對論(1905年)已經足夠令人困惑,因為它與空間和時間有著千絲萬縷的聯繫。
  • 愛因斯坦又一次正確!太陽光譜的精確測量驗證了廣義相對論
    愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論引入了時空的新概念,它表明大質量物體會引起附近時空的彎曲,而時空彎曲會引起時間變慢。但是在當時的技術條件下,能明顯測得到相對論效應的天體就只有太陽。那麼我們應該如何測量時間延緩這一效應呢?
  • 看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?
    1915年,愛因斯坦的廣義相對論出來後,得到了一些人的支持,但是,還有很多的科學家對他的理論持質疑態度,而真正看得懂的更是非常之少。愛因斯坦需要實驗來驗證廣義相對論的正確性。也許是牛頓的萬有引力理論,已經深入人心,愛因斯坦廣義相對論用時空彎曲來解釋引力,這個太難以讓人接受了,甚至許多人覺得簡直是謊謬。即便是,二戰結束後新的雷達和射電天文技術已經精確測量出,星光經過太陽時偏折角度和廣義相對論預言是一致的。可是還是有很多人不願相信這個理論。
  • 看完這5個預言的檢驗,你還想推翻愛因斯坦的廣義相對論嗎?
    1915年,愛因斯坦的廣義相對論出來後,得到了一些人的支持,但是,還有很多的科學家對他的理論持質疑態度,而真正看得懂的更是非常之少。愛因斯坦需要實驗來驗證廣義相對論的正確性。他們得出的觀測的結果是,星光偏折了1.79弧秒,和愛因斯坦算出來的1.74弧秒比較,誤差在實驗的容許範圍之內。它證明了廣義相對論的正確性。
  • 宇宙大災難讓愛因斯坦的廣義相對論理論得到精確檢驗
    因此,和其他許多測試一樣,伽馬射線暴的數據也證實了愛因斯坦的廣義相對論理論。這項研究發表在《物理評論快報》上。愛因斯坦的廣義相對論理論是一個美麗的理論,它解釋了質量和能量如何與時空相互作用,創造了一種通常被稱為引力的現象。自然伽馬在不同的物理條件和不同的尺度下進行了測試和重新測試,假設光速是恆定的,它總是能夠出色地預測實驗結果。
  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼?
    廣義相對論是現代物理學的主要組成部分。它基於空間的「彎曲」能力來解釋引力,或者更準確地說,它將引力與時空的幾何變化聯繫起來了。1915年,阿爾伯特·愛因斯坦創立了廣義相對論(GRT),即這個「特殊」理論誕生十年之後,應用光速,並假設物理定律在任何給定的參照系中保持不變。
  • 愛因斯坦的廣義相對論,是如何解決牛頓理論解決不了的問題?
    愛因斯坦的廣義相對論重塑了引力理論,解決了牛頓理論所不能解決的問題。自1905年首次亮相以來,它已經通過了幾十個專門為它設計的實驗檢驗,但物理學家的挑戰其實才剛剛開始。到目前為止,我們還只是在牛頓的世界裡玩耍。不過,這一切很快就會改變。一些大膽的實驗將使用全新的探測設備和探測手段來研究引力在宇宙中一些最極端的天體周圍是如何起作用的。
  • 愛因斯坦的廣義相對論講的是什麼?
    廣義相對論描述的是物質與空間、運動與時空之間的精妙聯繫,揭示了萬有引力的本質。1905年,愛因斯坦提出狹義相對論,狹義相對論的時空觀已經顛覆了經典時空觀,但是狹義相對論有一個非常大的缺陷,就是只能描述慣性系,無法描述非慣性系。狹義相對論的主要工作完成後,愛因斯坦著手把相對論推廣到非慣性系,在愛因斯坦苦思之時,腦海裡閃過一個想法——電梯思想實驗。
  • 事實證明:愛因斯坦是對的!廣義相對論通過了比率檢驗!
    近日,科學家通過一項研究再次證明愛因斯坦是對的!而這項研究齊愛恰恰是將兩種看似沒有太大關聯的事物連接在一起,它們就是圓周率π和廣義相對論。圓周率π在3700年前,巴比倫的數學家們估計了一個圓的周長與直徑的比值,而這個比值就是圓周率π的雛形。他們把他們的答案,第一個發現的π值,刻在一塊簡陋的黏土碑上:25/8,或3.125。
  • 廣義相對論:愛因斯坦在史無前例的引力紅移測試中獲勝
    基於2018年的數據,位於銀河系超大質量黑洞附近的S0-2(黃色)軌道剛剛被用來檢驗愛因斯坦的廣義相對論。如果觀測到的結果與愛因斯坦的預測有任何出入,這些結果將為建立一個新的、更基本、更精確的引力理論指明道路。在它最接近的時候,S0-2距離人馬座A*的視界只有180億公裡,而人馬座A*的直徑只有海王星繞太陽軌道直徑的兩倍。
  • 超大質量黑洞周圍的恆星舞動:再次驗證了愛因斯坦廣義相對論
    一顆恆星被發現在銀河系中心的超大質量黑洞周圍跳舞,它的軌道被發現形狀不像橢圓,而是像一個玫瑰花結,正如愛因斯坦的相對論預測的那樣。S2星每16年繞銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*運行一周,距離太陽26,000光年。
  • 廣義相對論又被證實!恆星的運行與愛因斯坦的預測不謀而合
    一顆恆星正繞著銀河系的黑洞運轉並精確的按照愛因斯坦的預測移動。舉個例子吧,三十年前,天文學家們曾經觀測過人馬座a星附近的一個星體的運行方式,研究其是否符合愛因斯坦的廣義相對論。歐洲南方天文臺用巨型天文望遠鏡在近期的觀測裡證實,這顆星體的運行軌跡是蓮座形狀的,而這再一次驗證了愛因斯坦的理論是對的。
  • 愛因斯坦的廣義相對論在地球表面上再次被證明是正確的
    廣義相對論是現代物理中基於相對性原理利用幾何語言描述的引力理論。該理論由愛因斯坦自1907年開始發展,最終在1915年基本完成。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律與狹義相對論加以推廣。在廣義相對論中,引力被描述為時空的一種幾何曲率屬性,而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處於其中的物質及輻射的能量與動量聯繫在一起。